Category Archives: Laitetestit

Luokkatestijärjestelmän asennus

Hankkeessa kehitetty energiavarastojärjestelmä asennettiin yhteen sähkövoimatekniikan opetustilaan testattavaksi. Kyseinen tila valittiin siksi, ettei opiskelijoilla ole luokkaan normaaleja kulkuoikeuksia, jolloin laitteiston käyttö on valvottua. Käytännössä näin varmistettiin se, että joku hankkeen edustaja on paikalla, kun laitteistoa käytetään. Kuvassa 1 on panoraamana esitetty järjestelmän asennuspaikka. Samaan kuvaan on hahmoteltu maadoitusjohdon kulkureittiä järjestelmästä tilan sähkökeskukselle.

Kuva 1: Panoraamakuva luokkatilasta. Kuvaan on vihreällä viivalla hahmoteltu maajohdon kulkureittiä. (Kuva: Jari Puranen, 2017)

Asennuspaikka valittiin niin, ettei se olisi tilan käyttäjien tiellä. Toisaalta järjestelmä on kuitenkin paljon käytetyn pöytäryhmän lähellä, jolloin pistorasioille on luonnollista tarvetta. Järjestelmässä itsessään on vain kaksi 230 voltin pistorasiaa, joten pöytään kiinnitettiin erillinen pistorasiapaketti.

Kun sopiva paikka laitteelle löytyi, kytkettiin järjestelmän suojamaadoitus tilan varsinaiseen suojamaahan. Maadoitus kulkee johtokiskoa pitkin tilan sähkökeskukselle. Näin maadoittamalla järjestelmään voidaan liittää turvallisesti myös suojausluokan 1 laitteita.

Suojamaadoituksen jatkuvuus testattiin käyttöönottotesterillä, jolla käytännössä mitataan resistanssi maajohdon äärimmäisten pisteiden välillä. Jatkuvuus voidaan todeta mikäli resistanssi on riittävän pieni suhteutettuna johtimen halkaisijaan ja pituuteen. Tuloksesta vähennetään mittausjohtimien resistanssi. Kuvassa 2 on esitetty kyseinen mittaustilanne. Toinen mittapää on reunimmaisen pistorasian maakoskettimessa, toinen sähkökeskuksen suojamaaliittimessä.

Kuva 2: Käyttöönottomittaus, jossa mitattiin resistanssi maadoituksen äärimmäisten pisteiden välillä. (Kuvat: Tomi Salo, 2017)

Suojaamaan jatkuvuuden lisäksi mitattiin järjestelmään liitettyjen pistorasioiden jännitetasoksi 224 V sekä tehtiin yksinkertainen kulutustesti mittaamalla kannettavan tietokoneen ottama maksimiteho (kuva 3). Tietokoneen akku oli lähes tyhjä ja koneella ajettiin suorituskyvyn testaamiseen tarkoitettua ohjelmaa, jotta koneen kulutus saatiin hetkellisesti mahdollisimman suureksi. Ottoteho oli tällöin 48 W:a. Tämän perusteella järjestelmän invertterin mitoitus riittää mainiosti neljän kannettavan tietokoneen käyttöön ja lataamiseen.

 

 

 

 

 

Kuva 3: Tietokoneen ottotehon mittaaminen. Kulutusmittarin lukema hetkelliselle teholle on 48 W.

Asennuksen yhteydessä esiteltiin lisäksi käyttäjäkysely, jolla kerättiin tietoa käyttäjien odotuksista ja kokemuksista johdottomiin energiavarastoihin liittyen.

 

 

 

Laboratorio- ja luokkatilatestit

Hankkeen yhteydessä on testattu johdottomien energiavarastojen käyttöä ulkoilmaolosuhteiden lisäksi myös sisätiloissa. Näiden testien tarkoituksena on ollut selvittää tavallisten kuluttajalaitteiden käyttäytyminen energiavaraston kanssa ja päin vastoin. Testattuja laitteita ovat muun muassa tietokoneen näyttö, akkuporakone ja jääkaappi. Mittauksilla haluttiin selvittää esimerkiksi ottavatko ja saavatko kuluttajalaitteet samanlaista vaihtovirtaa ja -jännitettä invertteriltä kuin normaalisti sähköverkosta. Energialähteinä käytettiin Boschin kaupallista järjestelmää, hankkeessa kehitettyä järjestelmää sekä pientä kaupallista akkukäyttöistä invertteriä.

Epätavallisesti käyttäytyvät virta ja jännite saattavat aiheuttaa laitteen toimintaan häiriöitä, tai ne voivat kuormittaa energiavarastoa epätoivotulla tavalla. Useissa laitteissa verkosta otettu vaihtosähkö tasasuunnataan diodisillan avulla tasasähköksi. Tasasuuntauskytkentään lisätään kuorman rinnalle suotokondensaattori, jonka tarkoitus on pienentää tasajännitteen vaihtelua. Ilman kondensaattoria tasasuunnattu jännite on sykkivää (kuvassa 1 mustalla viivalla). Kun normaalia, sinikäyrän muotoista, vaihtojännitettä tasasuunnataan, käyttäytyy kondensaattorin virta ja jännite kuvan 1 sinisen viivan mukaisesti. Kuvaan merkityn jännitevaihtelun suuruus kuluttaa kondensaattoria. Tyypillisesti vaihtelu kasvaa kondensaattorin ikääntyessä.

Kuva 1: Tasasuunnatun jännitteen vaihtelu suotokondensaattorin kanssa. Kuvassa on mustalla tasasuunnattu jännite ja sinisellä kuormalle tuleva jännite. Kondensaattori tasaa jännitteen vaihtelua.

Mikäli johdottoman järjestelmän invertteri tuottaa sinimuotoista vaihtojännitettä, tasasuuntaus toimii aivan kuten tavallisella verkkosähköllä. Yleensä markkinoiden halvimmat invertterit tuottavat kuitenkin kanttimaista vaihtojännitettä, jolloin kondensaattorille syntyy suuria, yksittäisiä virtapiikkejä. Mikäli kondensaattoreita ei ole suunniteltu kestämään näitä piikkejä, saattavat kondensaattorit vanheta ennenaikaisesti liiallisen lämpenemisen vuoksi.

Luokkatesteillä puolestaan haettiin lähinnä käyttäjäkokemuksia opiskelijoilta. Tämän lisäksi myös johdottoman varaston kuormitusta haluttiin testata. Yksinkertaisella demonstraatiokytkennällä pyrittiin havainnollistamaan tämän tyyppisen järjestelmän sijoitteluun ja asennukseen liittyviä näkökulmia. Varastosta täytyy käytännössä jakaa energiaa jonkinlaiseen pistorasiaan, jolloin ollaan lähellä alkuperäistä ongelmaa, eli jatkojohtoviidakkoa risteilemässä pitkin lattioita. Myös energiavaraston maadoitus on pystyttävä hoitamaan siten, että myös suojausluokan 1 laitteita on turvallista käyttää.

Kuva 2: Johdoton sähköjärjestelmä luokkatilassa asennettuna. Pöydällä olevat pistorasiat on kytketty järjestelmän 230 V ulostuloon, ja järjestelmä on maadoitettu samaan suojamaakiskoon kuin tilan muutkin pistorasiat.

Luokkatestejä varten valittiin yksi TAMKin normaali opetustila. Järjestelmä suunniteltiin alunperin ulkokäyttöön ja verrattain pienille kokonaistehoille, joten koteloineen se on luokkatilaan asennettavaksi hieman suuri, mutta riittää antoteholtaan 4–5 kannettavan tietokoneen eli yhden pöytäryhmän virtalähteeksi. Vastaavan järjestelmän voisi mitoittaa vastaamaan esimerkiksi 10–20 kannettavan tietokoneen kulutusta.

Luokkatilaa silmällä pitäen kotelointi ja johtojen läpiviennit tulisi suunnitella turvallisuuden ja käytettävyyden mukaisesti. Esimerkiksi nyt järjestelmän pääkytkin on laitteen sisällä, koska ulkopuolisten ei ole tarkoitus itse laittaa järjestelmää toimintaan. Energiavaraston käytettävyyden kannalta tämä pitäisi olla mahdollista. Kytkin kannattaa järjestelmässä joka tapauksessa olla, jotta invertterin tyhjäkäyntivirta ei turhaan kuluta akkukapasiteettia.

Kenttätesti 2 – Säihke-leiri

Uudenmaan partiopiirin piirileiri Säihke järjestettiin 12.-20. heinäkuuta Hangon Syndalenissa. Leirille osallistui 2600 partiolaista, joiden lisäksi paikalla oli runsas joukko vapaaehtoisia vastaamassa leirin käytännön järjestelyistä sekä partiolaisten vanhempia. Turvallinen ja johdoton sähkönkäyttö -hankkeen edustajat olivat paikalla leirillä 13.-15.7.

Kuva 1: Hankkeen esittelypiste. Kuvassa vasemmalta oikealle Tomi Salo, Klaus Virtanen ja Aku Hyrskykari. (Kuva Jari Puranen, 2017)

Tapahtumapaikkana oli Puolustusvoimien Syndalenin ampuma-alueen leirialue, jonka sähköverkko toimi myös leirin huoltopalveluiden sähköistäjänä. Sähköverkko ei ollut kuitenkaan leiriläisten itse käytettävissä, joten partiolaisilla ei ollut mahdollisuutta esimerkiksi kännyköiden lataamiseen.

Hankkeessa ollaan kiinnostuneita sähkönkäytössä nimenomaan tällaisissa tapahtumissa, joissa osallistujia on paljon, eikä kiinteää verkkoa ole käytettävissä. Leirin sähkö- ja muihin järjestelyihin tutustumisen lisäksi hankkeen teltalla jaettiin tietoa turvallisesta sähkönkäytöstä, aurinkosähköstä, sähkön varastoinnista ja kaikesta muustakin sähköön liittyvästä. Samalla oli mahdollista ladata kännyköitä hankkeessa rakennetulla järjestelmällä sekä Boschin kaupallisella järjestelmällä.

Kuva 2: Latauspisteellä riitti asiakkaita. Kuvassa oikealla näkyvä tumma laite on Boschin kannettava energiavarastojärjestelmä. (Kuva ??, 2017)

Asiakkaita oli kolmen päivän aikana useita satoja, joten tämän tapaiselle palvelulle näyttäisi leirillä olevan kysyntää. Varttuneemmat tapahtuman osallistujat olivat hyvinkin kiinnostuneita erilaisista sähköjärjestelmistä mökkiympäristöön ja muihin vastaaviin kohteisiin.

Kenttätesti 1 – Jukolan viesti

Hankkeessa kehitettyä energiavarastojärjestelmää testattiin ensimmäisen kerran julkisessa tapahtumassa 17.-18.6.2017 järjestetyssä Jukolan viestissä Enossa. Järjestelmällä sähköistettiin yksi puolijoukkueteltta. Telttaan saatiin mm. valot ja hieman muuta viihdykettä, ja lähitelttoihin majoittuneet Jukolan viestin osallistujat pääsivät tarvittaessa lataamaan järjestelmällä matkapuhelimiaan.

Majoitusalueella ei muutoin ollut juurikaan mahdollista käyttää sähköä, koska esimerkiksi aggregaattien käyttö tapahtumassa on kielletty. Hankkeen laitteisto on kyseisen tapahtuman tavallisen osallistujan kuljetettavaksi liian raskas, mutta tarkoitus olikin nimenomaan kokeilla konseptin toimivuutta yleisötapahtumassa. Kuvassa 1 näkyy laitteisto majoitusteltan vieressä.

Kuva 1: Energiavarastojärjestelmän asennusta. Kuvaamishetkellä hankepäällikkö Tomi Salo asentaa maadoitussauvaa. Taustan näkymästä saa käsityksen tapahtuman olosuhteista. (Kuva Lauri Hietalahti 2017)

Järjestelmä toimi moitteettomasti, eikä merkittäviä turvallisuusepäkohtia laitteiston osalta havaittu. Ensimmäisen päivän auringonpaisteessa päästiin testaamaan aurinkopaneelien toimivuutta ja ne tuottivatkin parhaimmillaan lähes maksimin 150 W. Paneeleille tehtiin alumiiniprofiilista telineet, jolla ne saadaan tuettua sopivaan asentoon epätasaisellakin alustalla. Aurinkopaneelit on tyypillisesti tarkoitettu asennettavaksi kiinteästi esimerkiksi katolle. Toisena päivänä testattiin myös kotelon ulkokelpoisuus melko voimakkaassa sateessa, minkä laitteisto kesti oivallisesti. Tapahtuman aikana kerrottiin yleisölle hankkeesta ja esiteltiin laitteistoa.

Kuva 2: Aurinkopaneelit telineissään. (Kuva Lauri Hietalahti 2017)

Tapahtuman osallistujien sähköturvallisuusajattelussa havaittiinkin puutteita. Alla olevassa kuvaparissa (kuva 3) nähdään jatkojohto, joka on vedetty suojaamattomana kulkureitin poikki. Johto on näin alttiina vaurioille. Lisäksi johto aiheuttaa kompastumisvaaran. Johdon alkupää oli ulkokäyttöön tarkoitettu roikka, mutta viimeisenä on käytetty sisätiloihin tarkoitettua jatkojohtoa, jota ei ole suojattu millään tavalla vedeltä.  Kuva 3: Vähemmän turvallinen jatkojohto. (Kuva Lauri Hietalahti 2017)

Energiavarastojärjestelmän esittely

Hankkeessa on kehitetty turvallista energiavarastojärjestelmää, jossa lyijyakkuihin varastoidulla energialla voidaan käyttää tavallisia kuluttajalaitteita ja ladata esimerkiksi puhelimien tai tablettien akkuja. Energiavarastojärjestelmä on rakennettu kenen tahansa kuluttajan saatavilla olevista komponenteista, mutta järjestelmän kokoaminen vaatii melko hyvää asiantuntemusta sähkötekniikasta.

Akkujen tuottama 12 voltin tasajännite voidaan muuntaa vaihtosuuntaajalla (invertterillä) 230 voltin vaihtosähköksi. Puhelimien ja tablettien lataaminen onnistuu myös suoraan laitteen USB-liittimistä. Järjestelmä on tarkoitettu energialähteeksi kohteisiin, joissa ei ole mahdollista ottaa energiaa sähköverkosta.

Akkujen tukena on kaksi aurinkopaneelia, joiden tuottama energia voidaan joko ladata akkuihin tai käyttää suoraan kuormalaitteissa. Järjestelmä perustuu kuitenkin pääasiallisesti akkuihin varastoituun energiaan, eikä toimi täydellä kapasiteetilla pelkillä aurinkopaneeleilla. Paneelien nimellisteho on yhteensä 200 W, eli käytännössä niistä saadaan Suomen olosuhteissa hyvällä auringonpaisteella noin 150 W:n teho. Tämä johtuu siitä, että paneelien nimellisteho määritellään suuremmalla Auringon säteilyteholla, kuin mitä Suomessa saadaan.

Järjestelmän komponentit on koteloitu niin, että sitä on turvallista käyttää myös ulkona ja jopa sateella. Pelkän kotelon IP-luokka on 67, mutta luokka on käytännössä pienempi kylkeen lisättyjen liittimien ja alareunaan tehtyjen läpivientien vuoksi. IP-luokan arvioidaan muutostenkin kanssa olevan kuitenkin ulkokäyttöön sopiva 44. Käyttäjän täytyy tietysti itse huolehtia siitä, että myös käytettävät laitteet on suunniteltu ulkotiloihin. Järjestelmä koteloituna omassa telineessään on esitetty kuvassa 1.

Kuva 1: Energiavarastojärjestelmä.

Järjestelmän maksimiteho 230 V:n vaihtosähkölle on invertterin antoteho 300 W. Vaihtosähkölaitteille tarkoitettuja pistorasioita on kaksi kappaletta. Tämän lisäksi akusta voidaan ottaa energiaa tasasähköllä toimiviin USB-liittiminiin, sekä 12 V:n autosähköliittimeen (niin sanottu tupakansytytinliitin). Kotelossa olevat liittimet on esitetty kuvassa 2.

Kuva 2: Energiavarastojärjestelmän liittimet. Ylimpänä 3 USB-liitintä, joissa jokaisessa on 2 erillistä USB-porttia, keskellä autosähköliitin, jonka virta on rajoitettu 10 A:iin ja alimmaisena 2 vaihtosähköpistorasiaa.

 

Yhden lyijyakun kapasiteetti on 105 Ah, mikä 12 V:n jännitteellä tarkoittaa energiassa 1260 Wh:a (1,26 kWh). Näin ollen maksimiteholla järjestelmällä voi käyttää vaihtosähköllä toimivia kulutuslaitteita noin 4 tunnin ajan, mikäli aurinkopaneeleista ei saada energiaa talteen. Järjestelmä on tarkoituksella tehty kapasiteetiltaan melko pieneksi, jotta se on liikuteltavissa. Hankkeessa on tarkoitus havainnollistaa sitä, että tämän tyyppinen järjestelmä soveltuu kesämökin, veneen tai muun vastaavan, väliaikaista sähköistystä vaativan, kohteen energiatarpeen kattamiseen. Vastaavan järjestelmän voisi yhtä hyvin suunnitella tukemaan suurempaakin tehon tarvetta. Käytännössä kyse on vain isomman akkukapasiteetin ja tehokkaamman invertterin hankinnasta. Esimerkiksi akkuja voisi kytkeä rinnan useampia, jolloin energiakapasiteetti on suurempi.

Järjestelmään haluttiin liittää kaksi aurinkopaneelia, koska laitteiston kenttätestejä tehtiin kesäaikaan. Paneelit on tarkoitettu nimenomaan akkujen tueksi, mutta pienemmillä kuormilla paneelit toki riittävät energialähteeksi. Paneelien yhteispinta-ala on noin 1,5 m2. Jos aurinkoiseen aikaan ei tarvita sähköä, pystytään paneeleilla lataamaan akkuja. Laitteistossa on säädin, joka ohjaa paneelien toimintapistettä siten, että paneeleista saadaan joka hetki paras mahdollinen teho. Säätimeen on liitetty erillinen näyttö, josta voidaan lukea paneelien, akun ja kuorman jännitteet ja virrat. Näytöstä nähdään esimerkiksi se, siirtyykö energiaa akkuun vai akusta pois. Säädin, näyttölaite ja invertteri on esitetty kuvassa 3.

Kuva 3: Kotelo sisältä. Ylhäällä näyttöyksikkö, jonka alla säädin (harmaa) ja invertteri. Alareunassa vasemmalla pääkytkin, keskellä riviliittimet ja oikealla alhaalla vikavirtasuoja.

Teräskotelon mitat ovat 500 mm x 400 mm x 200 mm. Pienempäänkin tilaan tarvikkeet saisi mahtumaan, mutta koteloinnista haluttiin tehdä helposti esiteltävä ja selkeän näköinen. Johdotus on tehty niin, etteivät tasa- ja vaihtojännitekaapelit risteile keskenään, vaan 230 V:n alue on omansa. Jännitteiset osat on kosketussuojattu kotelon ollessa kiinni. 230 V:n pistorasiat ovat ulkoisesti suojausluokan 1 rasioita, mutta järjestelmää ei ole varsinaisesti tarkoitettu luokan 1 laitteiden virtalähteeksi, koska laitteessa ei ole varsinaista suojamaata, jonka tämän suojausluokan laitteet tarvitsevat, koska muutoin vikavirtasuoja ei voi toimia. Ilman vikavirtasuojaa viallisen luokan 1 laitteen käyttäjä altistuu sähköiskulle. Kotelo on kuitenkin mahdollista maadoittaa kuparisauvalla, jolloin järjestelmän vikavirtasuoja pääsee vikatilanteessa laukeamaan, eikä suojamaadoituksen vaativan laitteen käyttö aiheuta välitöntä riskiä.

Laitteiston eri osat on myös suojattu sulakkeilla, mikäli johtimissa kulkevat virrat vikatilanteessa nousevat liian suuriksi. Säätimessä ja invertterissä on omat sisäiset suojauksensa vikatilanteiden varalle.